[논문 리뷰] Intelligent Reconfigurable Reflecting Surfaces for Free Space Optical Communications.

Marzieh Najafi, Bernhard Schmauß외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 09.

Optical Wireless Communication Technologies인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 일반화된 스넬의 법칙을 구현하여 빔 스텔링을 가능하게 하는 위상 이득 프로파일을 설계함으로써, 스마트 재구성 가능한 반사 표면(IRS)을 도입하여 비선형 시각 통신을 가능하게 한다. 등가 거울 보조 시스템 모델을 사용하여 기하학적 손실과 정렬 오차 손실을 고려한 통계적 채널 모델을 유도하였으며, 건물 진동에 의해 발생하는 진동에 의해 상대적 노드 위치가 중단 확률에 결정적인 영향을 미친다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

In this paper, we investigate the use of intelligent reflecting surfaces (IRSs) to relax the line-of-sight requirement of free space optical (FSO) systems. Considering a Gaussian laser beam, we first design a phase shift distribution across the IRS that enables the reflection of the incident beam in any desired direction, i.e., realizing the generalized Snell's law. Moreover, for the designed phase-shift profile, we show that there exists an equivalent mirror-assisted FSO system that generates a reflected electric field on a mirror that is identical to that on the IRS in the original system. However, the location of the laser source and the properties of the emitted Gaussian laser beam are different in the original and the equivalent systems. This equivalence allows us to study the mirror-assisted system, employing the imaging technique from geometric optics, instead of directly analyzing the original IRS-assisted system. Based on this analysis, we model the geometric and misalignment losses (GML) and characterize the impact of the physical parameters of the IRS, such as its size, position, and orientation, on the end-to-end FSO channel. Moreover, we develop a statistical model for the GML which accounts for the random movements of IRS, transmitter (Tx), and receiver (Rx) due to building sway. Furthermore, we analyze the outage probability of an IRS-assisted FSO link based on the derived channel model. Our simulation results validate the accuracy of the developed channel model and offer various insights for system design. For instance, both our simulations and theoretical analysis reveal that even if the variances of the fluctuations of the Tx, IRS, and Rx positions caused by building sway are identical, their impact on the end-to-end channel is not necessarily the same and depends on the relative positioning of these three nodes.

연구 동기 및 목표

• 자유공간 광학(FSO) 통신에서 엄격한 선형 시각 요구 조건을 극복하기 위해 스마트 재구성 가능한 반사 표면(IRS)을 사용하는 것.
• 모든 원하는 방향으로 반사되는 빔을 가능하게 하기 위해 IRS에 걸쳐 위상 이득 분포를 설계하는 것, 일반화된 스넬의 법칙을 달성하기 위함이다.
• 기하학적 광학 원리를 사용하여 분석을 단순화하기 위해 등가 거울 보조 FSO 시스템을 수립하는 것.
• IRS 크기, 위치, 방향성과 같은 물리적 매개변수를 고려하여 IRS 보조 FSO 시스템에서의 기하학적 손실과 정렬 오차 손실(GML)을 모델링하는 것.
• 건물 진동으로 인한 노드의 무작위 변동으로 인한 IRS 보조 FSO 링크의 중단 확률을 분석하는 것.

제안 방법

• 일반화된 스넬의 법칙에 따라 반사되는 가우시안 빔을 조정하기 위해 IRS에 걸쳐 위상 이득 프로파일을 설계하는 것.
• 원래의 IRS 시스템과 동일한 반사 전기장 결과를 내는 등가 거울 보조 FSO 시스템을 수립하여 기하학적 광학 분석을 가능하게 하는 것.
• 기하학적 광학에서의 영상 기법을 사용하여 등가 시스템을 모델링하고 기하학적 손실과 정렬 오차 손실(GML) 성분을 유도하는 것.
• 건물 진동으로 인한 송신기, IRS, 수신기의 무작위 위치 변동을 고려하여 GML에 대한 통계적 모델을 개발하는 것.
• 등가 시스템 기반의 종단 간 FSO 채널 모델을 유도하고 이를 사용하여 중단 확률을 분석하는 것.
• 모델의 타당성을 검증하기 위해 시뮬레이션을 수행하고 이론적 예측값과 수치 결과를 비교하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS는 어떻게 설계되어야 하며, 어떤 방향으로든 가우시안 광학 빔을 반사시켜 일반화된 스넬의 법칙을 실현할 수 있는가?
• RQ2 원래의 IRS 보조 FSO 시스템과 동일한 반사 전기장을 생성하는 등가 거울 보조 시스템은 무엇이며, 분석을 어떻게 단순화하는가?
• RQ3 IRS의 물리적 매개변수—크기, 위치, 방향성—은 FSO 링크에서 기하학적 손실과 정렬 오차 손실에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 건물 진동으로 인한 송신기, IRS, 수신기의 위치 무작위 변동은 종단 간 FSO 채널에 통계적으로 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 송신기, IRS, 수신기의 상대적 위치는 위치 변동의 분산이 동일할 경우 중단 확률에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 위상 이득 설계를 통해 일반화된 스넬의 법칙을 실현하여 IRS를 사용한 비선형 시각 FSO 통신이 가능해진다.
• 원래의 IRS 시스템과 동일한 반사 전기장을 생성하는 등가 거울 보조 시스템이 존재하며, 이는 기하학적 광학 원리를 사용한 분석을 가능하게 한다.
• 유도된 통계적 채널 모델은 건물 진동으로 인한 노드의 무작위 변동에 의해 발생하는 기하학적 손실과 정렬 오차 손실을 정확히 반영한다.
• 위치 변동의 분산이 동일할지라도, 송신기, IRS, 수신기의 상대적 위치에 따라 종단 간 채널에 미치는 영향은 크게 달라진다.
• 시뮬레이션 결과는 이론적 채널 모델의 정확성을 확인하였으며, 시스템 설계 시 중단 확률을 최소화하기 위해 노드 기하학적 구조를 신중히 고려해야 한다는 것을 드러냈다.